一种预混预蒸发燃烧室，燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧的概念设计，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式。燃烧室主要由分流式扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、燃油喷嘴、预燃级、主燃级、火焰筒外壁和火焰筒内壁组成。预燃级利用由预燃级旋流器组件进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰；主燃级所需的燃油由主燃级喷嘴喷出后，首先在主燃级喷嘴预膜空气环的气流作用下雾化形成油气混合气，然后流入预混预蒸发段中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发段的出口处形成均匀的油气混合气射流进入火焰筒，在预燃级火焰的引燃下进行燃烧。本发明专利技术结构简单，在保证航空发动机正常工作状态的同时能有效的降低污染排放。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种采用预混预蒸发燃烧组织方式的航空燃气轮机燃烧室，采用该预混预蒸发燃烧组织方式的燃烧室结构简单，在保证燃烧室高效稳定工作的同时，能够降低燃烧的污染排放。
技术介绍
现代航空发动机燃烧室的基本性能和结构分布已经达到相当高的水平，但是对于现代航空发动机燃烧室来说，仍在存在大量的难题和挑战，新材料、新工艺、新结构、新概念的发展应用才是保证其持续进步的源泉。 现代航空发动机燃烧室的主要发展趋势是低污染燃烧。航空发动机燃烧室必须满足日益严格的航空发动机污染排放标准。目前采用的CAEP4(Committee on AviationEnvironmentalProtection)标准的要求已经非常严格，特别是对N0x污染排放要求，而随着人们对环境保护意识的增强，以后的要求将更为严格。 美国航空发动机的两个著名公司GE和PW对低污染燃烧室已经着手研究，GE首先研发了双环腔低污染燃烧DAC(用于GE90和CFM56) ， PW公司采用了类RQL(富油燃烧-快熄-贫油燃烧，Rich burn-Quench-Lean burn，简称RQL)低污染燃烧室TALON II(用于PW4000和6000系列)。在下一代低污染燃烧室方面，GE公司采用LDM(Lean DirectMixingCombustion,贫油直接混合燃烧室)技术为其GEnx发动机研制的TAPS(TwinAn皿larPremixing Swirler)低污染燃烧室。该燃烧室已经进入整机验证阶段，即将取证，在台架全环试验验证中，N0x污染排放比CAEP2排放标准降低了 50% 。 PW公司继续采用RQL方式提出了降低NOx污染排放的低污染燃烧室为TALON X，采用的头部形式是PW公司发展的空气雾化喷嘴，燃烧室为单环腔，在V2500发动机扇型试验段上的试验结果比CAEP2标准降低了50%。 Rolls-Royce公司采用LDM技术发展的低污染燃烧室是ANTLE，该燃烧室是一个单环腔分级燃烧室，其NOx污染排放比CAEP2标准降低了 50% ，用于其新一代发动机湍达1000。 而不管是何种先进的低污染燃烧室，其关键技术就是降低NOX (氮氧化物)、C0 ( —氧化碳)、UHC(未燃碳氢化合物)和冒烟的燃烧技术，核心问题是降低燃烧区的温度、同时使燃烧区温度场均匀，即整体和局部的当量比控制，而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均匀性。 本专利技术是针对航空发动机低污染燃烧的新方法。根据NOx与CO产生的机理及试验结果可知燃烧室的主燃区当量比在0. 6 0. 8范围内产生的NOx与CO(UHC和CO的排放规律类似)很少。基于此原理，要兼顾NOx与CO、UHC的排放量都处于低值范围，应考虑两个因素其一是主燃区的平均当量比，其二是主燃区平均当量比的均匀性，并且在所有航空发动机的工作情况下都应如此。而主燃区当量比的均匀性又主要取决于燃油雾化和油气掺混的均匀性。这主要取决于两方面一是燃油颗粒直径分布的均匀性，即SMD的分布均匀性；二则是燃油油雾浓度分布的均匀性。从燃烧方式讲，应采用均匀的预混燃烧，达到主燃区当量比均匀性要求以降低污染排放。4 目前的常规燃烧方式无法降低NOx、 CO和UHC。原因是目前燃烧室的设计方法所决定的。对于常规燃烧室来说，在高功率状态时，由于采用液雾扩散燃烧方式，燃烧区局部当量比总是在1附近，远超过上述低污染燃烧所需当量比范围要求，此时虽然CO和UHC的排放低，但N0x的排放达到最大。在低功率状态时，燃烧区当量比又很低，远低于上述低污染燃烧所需当量比区间，此时虽然N0x排放低，但CO和UHC排放又很高。另外，由于常规燃烧室普遍采用扩散燃烧方式，局部当量比非常不均匀，因此对于常规燃烧室来说，无法满足在整个发动机工作范围内的低污染要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题提供一种采用预混预蒸发燃烧组织方式的航空发动机燃烧室，该燃烧室在满足航空发动机的工作条件下，能有效的降低航空发动机燃烧室燃烧的污染排放，包括N0x、冒烟、CO及UHC，且结构简单。 本专利技术的技术解决方案预混预蒸发燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧的概念设计，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，冷却气和掺混气从火焰筒供入。预混预蒸发燃烧室主要由分流式扩压器、燃烧室外机匣、燃烧室内机匣、燃油喷嘴、火焰筒头部、火焰筒外壁和火焰筒内壁组成。火焰筒头部由预燃级和主燃级组成预燃级包括预燃级旋流器组件、预燃级喷嘴、预燃级头部端壁和预燃级头部内导流板，预燃级利用由预燃级旋流器组件进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰，预燃级旋流器组件通过预燃级头部端壁与主燃级预混预蒸发段内环相连接，预燃级喷嘴位于预燃级旋流器组件内，并与预燃级旋流器组件同轴；主燃级包括主燃级喷嘴、主燃级喷嘴预膜空气环、主燃级预混预蒸发段、主燃级头部整体端壁和主燃级头部整体导流板，主燃级预混预蒸发段由主燃级喷嘴浮动内环、主燃级喷嘴浮动内环压板、主燃级喷嘴浮动外环、主燃级喷嘴浮动外环压板、主燃级预混预蒸发段内环、主燃级预混预蒸发段外环、主燃级出口导流支撑组成，主燃级喷嘴和主燃级喷嘴预膜空气环位于主燃级喷嘴浮动内环和主燃级喷嘴浮动外环之间，并与预燃级喷嘴同轴，主燃级喷嘴采用在同一圆周上设置多个喷射点的多点喷射方式，主燃级所需的燃油由主燃级喷嘴喷出后，首先在主燃级喷嘴预膜空气环的气流作用下雾化形成油气混合气，然后流入预混预蒸发段，油气混合气在预混预蒸发段中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发段的出口处形成均匀的油气混合气射流进入火焰筒，在预燃级火焰的引燃下进行燃烧。燃油喷嘴由预燃级喷嘴、主燃级喷嘴和燃油喷嘴座组成，预燃级喷嘴和主燃级喷嘴都连接在燃油喷嘴座上，并通过燃油喷嘴座与燃烧室外机匣相连。 本专利技术的原理是一般而言，航空发动机燃烧室低污染排放的实现主要就是通过两方面，一是控制整个燃烧室内燃烧区域的总体当量比范围；二则是控制燃烧室内整个燃烧区域的燃烧均匀性，即当量比均匀性，因为局部富油而导致的局部当量比过大也会大大增加发动机的污染排放。根据上述原理并且考虑到航空发动机燃烧室的工作特点，本专利技术采用分级燃烧的设计思想，使燃烧用气分别从预燃级和主燃级供入燃烧室，并将燃油进行分级供入，控制燃油在燃烧区内的当量比在航空发动机不同工作状态下都在低污染燃烧区内，从而达到降低燃烧污染排放物的目的。预燃级在慢车等小状态下启动，保持小状态时燃烧区的当量比落在上述低污染燃烧当量比区间内，并且使燃烧的稳定性好，容易启动。当发动机工作在大状态时才启动主燃级，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，控制燃烧区的当量比在上述低污染燃烧当量比区间。采用上述低污染燃烧室，可确保航空发动机燃烧室在所有的工作状态下，燃烧区的当量比都控制在低污染燃烧的区间内，同时可以通过控制主燃级油雾均匀度、混合度和蒸发度来控制燃烧区的当量比均匀度，从而达到航空发动机低污染燃烧室污染排放低、稳定性好的性能要求。 本专利技术与现有技术相比的优点如下 (1)本专利技术的燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧的概念设计，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，火焰筒没有主燃孔，冷却气和掺混气从火焰筒供入，增加燃烧本文档来自技高网...
【技术保护点】
预混预蒸发燃烧室，其特征在于：所述燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧方式，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，冷却气和掺混气从火焰筒供入；所述预混预蒸发燃烧室主要由分流式扩压器（８）、燃烧室外机匣（９）、燃烧室内机匣（１０）、燃油喷嘴（１１）、火焰筒头部（１４）、火焰筒外壁（１５）和火焰筒内壁（１６）组成；火焰筒头部（１４）由预燃级（２０）和主燃级（３９）组成：预燃级（２０）包括预燃级旋流器组件（２２）、预燃级喷嘴（３５）、预燃级头部端壁（２３）和预燃级头部内导流板（２４），预燃级（２０）利用由预燃级旋流器组件（２２）进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰，预燃级旋流器组件（２２）通过预燃级头部端壁（２３）与主燃级预混预蒸发段内环（２９）相连接，预燃级喷嘴（３５）位于预燃级旋流器组件（２２）内，并与预燃级旋流器组件（２２）同轴；主燃级（３９）包括主燃级喷嘴（３６）、主燃级预混预蒸发段（２１）、主燃级头部整体端壁（１２）和主燃级头部整体导流板（１３），主燃级预混预蒸发段（２１）由主燃级喷嘴浮动内环（３４）、主燃级喷嘴浮动内环压板（３３）、主燃级喷嘴浮动外环（３２）、主燃级喷嘴浮动外环压板（３１）、主燃级预混预蒸发段内环（２９）、主燃级预混预蒸发段外环（２８）、主燃级出口导流支撑（３０）组成，主燃级喷嘴（３６）位于主燃级喷嘴浮动内环（３４）和主燃级喷嘴浮动外环（３２）之间，并与燃油喷嘴（１１）中的预燃级喷嘴（３５）同轴，主燃级喷嘴（３６）采用在同一圆周上设置多个喷射点的多点喷射方式，主燃级（３９）所需的燃油由主燃级喷嘴喷（３６）出后，流入预混预蒸发段（２１），油气混合气在预混预蒸发段（２１）中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发段（２１）的出口处形成均匀的油气混合气射流进入火焰筒，在预燃级火焰的引燃下进行燃烧；所述燃油喷嘴（１１）由预燃级喷嘴（３５）、主燃级喷嘴（３６）和燃油喷嘴座（３８）组成，预燃级喷嘴（３５）和主燃级喷嘴（３６）均连接在燃油喷嘴座（３８）上，并通过燃油喷嘴座（３８）与燃烧室外机匣（９）相连。...
【技术特征摘要】
预混预蒸发燃烧室，其特征在于所述燃烧室为单环腔结构，采用分级燃烧方式，燃烧用气量全部由预燃级和主燃级供入，预燃级采用旋流稳定的扩散火焰燃烧组织方式，主燃级采用预混预蒸发燃烧组织方式，冷却气和掺混气从火焰筒供入；所述预混预蒸发燃烧室主要由分流式扩压器(8)、燃烧室外机匣(9)、燃烧室内机匣(10)、燃油喷嘴(11)、火焰筒头部(14)、火焰筒外壁(15)和火焰筒内壁(16)组成；火焰筒头部(14)由预燃级(20)和主燃级(39)组成预燃级(20)包括预燃级旋流器组件(22)、预燃级喷嘴(35)、预燃级头部端壁(23)和预燃级头部内导流板(24)，预燃级(20)利用由预燃级旋流器组件(22)进入燃烧室的旋流空气产生的低速回流区稳定火焰，预燃级旋流器组件(22)通过预燃级头部端壁(23)与主燃级预混预蒸发段内环(29)相连接，预燃级喷嘴(35)位于预燃级旋流器组件(22)内，并与预燃级旋流器组件(22)同轴；主燃级(39)包括主燃级喷嘴(36)、主燃级预混预蒸发段(21)、主燃级头部整体端壁(12)和主燃级头部整体导流板(13)，主燃级预混预蒸发段(21)由主燃级喷嘴浮动内环(34)、主燃级喷嘴浮动内环压板(33)、主燃级喷嘴浮动外环(32)、主燃级喷嘴浮动外环压板(31)、主燃级预混预蒸发段内环(29)、主燃级预混预蒸发段外环(28)、主燃级出口导流支撑(30)组成，主燃级喷嘴(36)位于主燃级喷嘴浮动内环(34)和主燃级喷嘴浮动外环(32)之间，并与燃油喷嘴(11)中的预燃级喷嘴(35)同轴，主燃级喷嘴(36)采用在同一圆周上设置多个喷射点的多点喷射方式，主燃级(39)所需的燃油由主燃级喷嘴喷(36)出后，流入预混预蒸发段(21)，油气混合气在预混预蒸发段(21)中蒸发，并与空气进一步掺混，在预混预蒸发段(21)的出口处形成均匀的油气混合气射流进入火焰筒，在预燃级火焰的引燃下进行燃烧；所述燃油喷嘴(11)由预燃级喷嘴(35)、主燃级喷嘴(36)和燃油喷嘴座(38)组成，预燃级喷嘴(35)和主燃级喷嘴(36)均连接在燃油喷嘴座(38)上，并通过燃油喷嘴座(38)与燃烧室外机匣(9)相连。2. 根据权利要求1所述的预混预蒸发燃烧室，其特征在于所述的分流式扩压器(8) 将燃烧室进口气流(1)分为三股火焰筒头部气流(2)、燃烧室外环腔气流(3)和燃烧室内 环腔气流(4)，以满足燃烧室各部分对空气流量的需求。3. 根据权利要求1所述的预混预蒸发燃烧室，其特征在于所述预燃级喷嘴(35)为压 力雾化喷嘴、气动雾化喷嘴或组合式喷嘴。4 根据权利要求1所述的预混预蒸发燃烧室，其特征在于所述预燃级旋流器组件 (22)采用的旋流器的级数1《n《5 ;每级旋流器采用旋流器的结构是轴向旋流器，或是径 向旋流器，或是切向旋流器...
【专利技术属性】
技术研发人员：林阳，林宇震，许全宏，张弛，刘高恩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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